Non-inverting Buck-Boost DC-DC Converter

Rangkaian Non-inverting Buck-Boost Converter

Salam Engineer gan

aku mau bahas buck-boost converter ni gan?? ini termasuk dc-dc converter yang bisa menaikkan dan menurunkan tegangan dc dengan mengatur besarnya duty-cycle pada switch-nya. 

Nah disini ada improvisasi rangkaian dengan penambahan saklar switching biasanya kan menggunakan satu switch semikonduktor (mosfet/igbt/transistor) untuk rangkaian ideal buck-boost (IBB) seperti rangkaian dibawah, tetapi output yang dihasilkan IBB inverting sehingga polaritasnya berkebalikan dengan tegangan sumber

Untuk mengatasi itu dan juga perbaikan efisiensi sehingga ditambahkan satu switch lagi pada rangkaian Non-inverting buck-boost (NIBB) menggunakan dua buah switch buck (Sbuck) dan switch boost (Sboost) dengan dua buah dioda buck (Dbuck) dan dioda boost (Dboost) seperti pada gambar diatas.

Rangkaian ideal Buck-Boost Converter

Rangkaian NIBB mempunyai tiga mode pengoperasian, yakni mode buck , boost dan buck-boost. Ketika tegangan input dibawah tegangan yang diinginkan (set-point) maka rangkaian akan berubah menjadi mode boost. Sebaliknya ketika tegangan input diatas tegangan set-point, maka mode akan berubah ke mode buck. Dan ketika tegangan input stabil mendekati tegangan set-point, maka regulator akan bekerja pada mode buck-boost.

Mode Buck

Pada mode buck, Sbuck akan mendapat sinyal switching dari PWM1 buck, sedangkan Sboost mendapat sinyal switching PWM2 dengan nilai duty-cycle (D) = 0, sehingga switch akan open.

mode buck NIBB

Pada mode ini analisa rangkaian terbagi menjadi dua, analisa saklar tertutup dan terbuka pada Sbuck, seperti halnya dengan rangkaian buck converter.

analisa switch tertutup

Analisa switch tertutup pada mode buck diatas, ketika Sbuck pada kondisi ON (close) sedangkan Dbuck bekerja reverse-bias dan Dboost forward-bias, sehingga arus akan mengisi induktor sekaligus menyuplai beban.

analisa switch terbuka

Sedangkan untuk analisa switch terbuka ketika Sbuck open maka Dbuck dan Dboost bekerja forward-bias, maka arus yang tersimpan di induktor akan menyuplai beban (discharging). Dengan persamaan nilai Vout adalah sebagai berikut: Vout = Vin . D (duty-cycle)

Mode Boost

Pada mode boost, Sboost akan mendapat sinyal switching PWM2, sedangkan Sbuck mendapat sinyal PWM1 (duty-cycle=1) dan selalu close.

Rangkaian mode Boost

Pada mode boost ini analisa rangkaian terbagi menjadi dua, analisa switch tertutup dan terbuka pada switch (Sboost), seperti halnya dengan rangkaian boost converter.

analisa rangkaian tertutup

Analisa switch tertutup pada mode boost diatas, ketika Sboost pada kondisi ON (close) sedangkan Dbuck dan Dboost bekerja reverse-bias, sehingga arus akan mengisi induktor.

analisa rangkaian terbuka

Sedangkan untuk analisa switch terbuka ketika Sboost open maka Dbuck bekerja reverse bias dan Dboost bekerja forward-bias, maka arus yang tersimpan di induktor akan menyuplai beban (discharging) ditambah dengan tegangan input. Dengan persamaan nilai Vout adalah sebagai berikut: Vout = (1/(1-D)) x Vin

Mode Buck-Boost

Pada mode buck-boost ini kedua switch Sbuck dan Sboost mendapat sinyal switching PWM1 dan PWM2.

mode Buck-Boost Converter

Prinsip kerja rangkaian mode buck-boost ini dibagi menjadi dua yaitu: analisa switch tertutup dan switch terbuka.

analisa rangkaian tertutup

Pada Gambar diatas menunjukkan rangkaian buck-boost dengan analisa switch tertutup dimana switch (Sbuck dan Sboost) ON (closed). Hal ini menyebabkan diode buck (Dbuck) bekerja reverse-bias sehingga arus akan mengisi induktor L (charging) dan arus induktor (IL) naik sampai arus maksimum dari induktor. Dengan rumus penurunan pada analisa switch tertutup adalah sebagai berikut:

Vin =  VL

Vin =   L x (di/dt)

Vin =  L x (di/Ton) .. (3)

analisa rangkaian terbuka

Pada Gambar diatas  menunjukkan rangkaian buck-boost dengan anlisa switch terbuka dimana kedua switch (Sbuck dan Sboost) OFF (open). Sehingga kedua dioda (Dbuck dan Dboost) bekerja forward-bias dan arus yang tesimpan pada induktor L akan menyuplai (discharging) ke beban. Dengan rumus penurunan pada saat mode saklar terbuka adalah sebagai berikut:

Vout = VL

Vout = L x (di/dt)

Vout = L x (di/Toff)

L di   = Vout . Toff     ….. (4)

Sehingga ketika kedua persamaan 3 dan 4 pada mode saklar tertutup dan terbuka disubtitusikan, maka akan diperoleh persamaan tegangan output rangkaian buck-boost converter sebagai berikut:

Vin      =   (Vo.Toff)/Ton Ton     =  D . T Toff       = (1-D) . T Vin        =    (Vo.(1-D).T)/(D.T) Vin        = (Vo.(1-D))/D Vout     =   ((Vin.D) / (1-D))….. (5)

Dimana: Vin      : Tegangan sumber. Vout   : Tegangan output. D         : Duty-cycle. Ton     : Periode ON Toff    : Periode OFF. T         : Satu periode

Pada mode buck-boost ini dapat menghasilkan tegangan output yang lebih rendah maupun lebih tinggi dari tegangan input. Dengan catatan, bila duty cycle PWM1 (D1) dan PWM2 (D2) sebagai switching lebih dari 50%, maka tegangan output akan lebih tinggi dari tegangan input. Apabila kurang dari 50%, maka tegangan output akan lebih rendah dari tegangan input.

Konfigurasi Switch NIBB

Konfigurasi switch pada rangkaian NIBB dengan tiga mode, yakni mode buck, boost dan buck-boost dapat dilihat dari tabel berikut

 Tabel konfigurasi switch mode rangkaian NIBB

Konfigurasi	Sbuck	Sboost
Mode Buck	Switching PWM1	OFF
Mode Boost	ON	Swithing PWM2
Mode Buck-Boost	Switching PWM1	Switching PWM2

Pengaturan konfigurasi rangkaian NIBB dilakukan dengan mengatur sinyal PWM pada Sbuck dan Sboost tergantung dari tegangan input, jika tegangan input kurang dari set-point, maka NIBB akan bekerja pada mode boost, sebaliknya ketika tegangan input diatas nilai set-point, maka NIBB akan bekerja pada mode buck. Dan untuk menjaga tegangan output pada set-point (steady state) maka NIBB akan bekerja pada mode buck-boost.

Demikian rincian tentang rangkaian Non-Inverting Buck-Boost (NIBB) yang sesuai dengan rangkumanku di proposal TA-ku semester depan dan sumbernya tentu saja diambil dari buku Power Electronic Handbook-nya Pak Prof M.H Rashid dari Florida University.. Semoga bermanfaat dan menambah wawasan kita semua..sharing is the best thing for everything..

Trust Me, I'm an Engineer